5.2.1
Aço
Os perfis de aço formados a frio que compõem o pilar misto foram obtidos a partir da soldagem de perfis de seção “U”. O aço tipo SAE 1020 foi utilizado para a confecção dos perfis que foram solados formando uma seção quadrada com 200 mm de lado e 6,3 mm de
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104 Uma vez cortados os perfis “U” no comprimento de 80 cm e feita a soldagem dos conectores de cisalhamento, o fechamento do tubo foi realizado a partir da soldagem dos perfis. A Figura 5-6 mostra algumas etapas da confecção dos perfis de aço que compõem o pilar misto de seção quadrada.
a) Corte dos perfis de seção “U” b) Perfis cortados com conectores já soldados nas faces.
c) Perfil “U” com conector tipo pino com cabeça
d) Perfil de aço: seção final
Figura 5-6 – Montagem do tubo de aço para o pilar misto.
As vigas de aço foram confeccionadas a partir da soldagem de chapas em aço ASTM A36. Foram soldados conectores de cisalhamento tipo pino com cabeça na mesa superior da viga em número tal que resultasse em uma viga mista com interação total.
Tanto dos perfis que compõem o pilar misto como das vigas de aço foram extraídos corpos de prova para determinar as propriedades mecânicas do aço (resistência ao escoamento, resistência à ruptura e módulo de elasticidade). Estas propriedades foram obtidas via ensaios de tração axial, especificados pela ASTM 370:1992. Os corpos-de-prova empregados na caracterização possuíam as dimensões mostradas na Figura 5-7.
20 50 10 80 10 50 R=13 6,3 200 12 ,5
Figura 5-7 – Dimensões dos corpos de prova para caracterização do aço.
Foram retirados corpos-de-prova de todas as faces do perfil de aço, inclusive da face com solda. Para a viga de aço foram retirados corpos-de-prova das mesas e alma, e da chapa de extremidade utilizada na ligação viga-pilar. A Figura 5-8 mostra a realização do ensaio de tração uniaxial dos corpos de provas de aço. Para cada elemento foram ensaiados três corpos- de-prova. A Tabela 5-2 traz as propriedades mecânicas do aço, obtidas com o ensaio de tração uniaxial, os resultados expostos são valores médios dos três ensaios. Alguns resultados do comportamento tensão x deformação dos corpos-de-prova de aço ensaiados são mostrados na Erro! Fonte de referência não encontrada..
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106 Tabela 5-2 – Propriedades mecânicas do aço.
Corpos-de-prova Aço Resistência ao escoamento (MPa)
Resistência à Ruptura (MPa)
Perfil – Pilar SAE 1020 216,5 349,5 Viga – Mesa ASTM
A36
313,7 452,7 Viga – Alma ASTM
A36 274,7 414,9 Chapa de extremidade ASTM A36 327,2 423,8 Parafusos ASTM A36 510,8 608,6 5.2.2
Concreto
O concreto utilizado na investigação experimental, tanto para o preenchimento do perfil de aço do pilar quanto na laje de concreto armado, possuía resistência média à compressão de 50MPa.
Foram utilizados os seguintes materiais para a confecção do concreto:
• Cimento: CP-V ARI, cimento Portland com alta resistência inicial da marca Holcim fabricado pela Ciminas.
• Agregado Graúdo: Agregado de origem basáltica, da pedreira Morada do Sol, Araraquara – SP.
• Agregado Miúdo: Areia quartzosa. • Sílica Ativa: Silmix fabricad • a pela Camargo Correia.
A proporção em massa, utilizada na dosagem do concreto foi de 1: 1,5: 2,7 (cimento, areia e brita) com relação água/cimento de 0,55. Foi realizada a adição de 5% de sílica ativa, em relação à massa de cimento.
Foram determinadas algumas propriedades mecânicas do concreto, tais como, resistência à compressão, resistência à tração, módulo de elasticidade e energia de fraturamento. A resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à tração foram obtidos por meio de ensaios mecânicos em corpos de prova cilíndricos de 10 cm x 20 cm. A resistência à tração foi obtida com ensaios de tração por compressão diametral. A Figura 5-9 mostra a realização dos ensaios de resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à tração.
a) Corpos-de-prova (10 cm x 20 cm) b) Instrumentação para determinação do modulo de elasticidade
c) Realização do ensaio de resistência à compressão e módulo de elasticidade
d) Ensaio de tração por compressão diametral
Figura 5-9 – Ensaios para caracterização mecânica do concreto.
Foram moldadas vigas prismáticas com as dimensões de 15 cm x 15 cm x 50 cm, para a realização do ensaio para a obtenção da energia do fraturamento do concreto. A quantificação experimental da energia de fraturamento é realizada de acordo com os procedimentos da RILEM (Comitê Técnico n. 50, 1990), ensaio este baseado no modelo da
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108 módulo de elasticidade e a resistência à tração do concreto. A Figura 5-10 mostra a realização do ensaio de energia de fraturamento e a Tabela 5-3 reúne os valores médios obtidos nos ensaios de caracterização do concreto.
a) Realização do ensaio para determinação da energia de fraturamento.
b) Ensaio de energia de fraturamento.
Figura 5-10 – Ensaio para a obtenção da energia de fraturamento do concreto.
Tabela 5-3 – Propriedades Mecânicas do concreto. Resistência média à compressão (MPa) 51,3
Resistência média à tração (MPa) 3,7 Módulo de Elasticidade (MPa) 45699 Energia de fraturamento (N/m) 96,23
5.3
Instrumentação
Os modelos físicos foram instrumentados com extensômetros elétricos para o registro das deformações em diversos pontos do modelo. Externamente, no perfil de aço foram posicionados 12 extensômetros ao longo do comprimento do pilar. Os extensômetros foram dispostos nas faces que receberam os conectores, externamente, entre os conectores, permitindo observar a transferência de forças entre o concreto e o aço ao longo do comprimento do pilar. Com esta instrumentação também foi possível avaliar a contribuição dos conectores de cisalhamento para a transferência de forças. A Figura 5-11 indica o posicionamento dos extensômetros no tubo de aço.
Figura 5-11 – Pontos de instrumentação externa no perfil de aço.
O núcleo de concreto do pilar foi instrumentado com o uso de uma barra lisa de aço, de pequeno diâmetro, imersa na massa de concreto. Os pontos da barra de aço instrumentados (Figura 5-12) correspondem àqueles instrumentados no perfil de aço, desta forma, é possível observar e avaliar a transferência de forças entre os dois materiais.
Figura 5-12 – Pontos de instrumentação da barra inserida no núcleo de concreto do pilar misto.
As vigas de aço foram instrumentadas com extensômetros posicionados nas mesas superiores e inferiores e na alma, a uma distância de 12,5 cm da face do pilar. Os extensômetros na alma foram colocados ao longo da altura da viga, possibilitando obter a
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110 Figura 5-13 – Pontos de instrumentação da Viga metálica da ligação mista.
Os pontos instrumentados nas armaduras de aço da laje de concreto correspondem à mesma linha de instrumentação utilizada nas vigas de aço, ou seja, a uma distância de 12,5 cm da face do pilar preenchido. Foram instrumentadas tanto as armaduras posicionadas na face superior quanto inferior e considerada a simetria do modelo para reduzir a instrumentação das vigas e da laje de concreto armado. Desta forma, para cada modelo só uma viga e um único lado da laje de concreto armado foram instrumentados. A partir da análise dos resultados obtidos, foi possível reduzir a instrumentação da laje de concreto armado. A Figura 5-14 mostra as armaduras da laje de concreto armado que foram instrumentadas.
Para medir o deslocamento do núcleo de concreto em relação ao perfil de aço, foram utilizados transdutores de deslocamento, tanto na seção de concreto da parte superior (onde a força de compressão foi aplicada) quanto da parte inferior (Figura 5-15).
Figura 5-15 – Transdutores de deslocamento para obtenção do deslizamento do concreto.
5.4
Moldagem do concreto
Depois dos componentes dos modelos instrumentados (viga de aço, armadura, perfil tubular) a montagem do modelo e o posicionamento das armaduras na fôrma foram realizados. Após a produção do concreto foram moldados corpos-de-prova cilíndricos para a caracterização mecânica do concreto e vigas prismáticas para a realização do ensaio de energia e fraturamento.
Os ensaios de caracterização das propriedades mecânicas do concreto foram realizados no mesmo dia do ensaio do modelo físico. O abatimento do tronco de cone, slump, do
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112 a) Concreto fresco b) Abatimento do tronco de cone
c) Corpos-de-prova cilíndricos para caracterização do concreto
d) Vigas prismáticas para o ensaio de energia de fraturamento Figura 5-16 – Moldagem e adensamento do concreto.
O adensamento do núcleo de concreto do pilar misto foi realizado com um vibrador de agulha. Destaca-se aqui a relevância do adensamento neste tipo de ensaio, já que a vibração tem uma grande influência na aderência aço-concreto. O vibrador de agulha também foi utilizado no adensamento do concreto da laje. Após a moldagem, a cura do concreto foi realizada ao ar livre, com a laje protegida por uma lona plástica. A retirada das fôrmas e escoramentos foi realizada sete dias após a concretagem. A Figura 5-17 mostra as etapas de moldagem e adensamento do concreto no modelo de ligação.
Os ensaios dos modelos físicos foram realizados na máquina servo-controlada INSTRON 8506, com capacidade de carga de 2500 kN. A aplicação da carga foi realizada com controle de deslocamento do atuador com velocidade de 0,05 mm/s. A Tabela 5-4 traz um resumo dos equipamentos utilizados ao longo da análise experimental.
a) Modelo físico antes da moldagem do concreto
b) Adensamento do concreto da laje e do núcleo de concreto
c) Adensamento do concreto da laje d) Modelo experimental após a cura do concreto
Figura 5-17 – Moldagem e adensamento do concreto.
Tabela 5-4 – Equipamentos utilizados na investigação experimental.
Equipamento Função Utilização
Máquina de aplicação de força ELE – Capacidade de 500 kN.
Aplicação de força Ensaios de resistência à compressão, módulo de elasticidade e resistência à
tração do concreto. Maquina de ensaio EMIC –
Capacidade de 1000 kN
Aplicação de força Ensaio de tração uniaxial para caracterização do aço Maquina servo-controlada
INSTRON 8506 – Capacidade de 2500 kN
Aplicação de força Ensaio dos modelos físicos
Módulo de aquisição de dados – VISHAY SYSTEM 5000
Aquisição dos dados dos extensômetros e
transdutores
Registro de deformação e deslocamento nos modelos físicos Extensômetros elétricos de
resistência - KYOWA
Medição de deformação Medição das deformações no concreto e no aço
Transdutores de deslocamento – KYOWA
Medição de deslocamento Medição do deslocamento relativo do concreto e rotação da ligação
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114
5.5
Procedimento de ensaio
Após a cura do concreto, os modelos foram transportados para a realização do ensaio experimental. A força de compressão foi aplicada apenas na seção de concreto, visando promover o deslocamento relativo entre perfil de aço e núcleo de concreto e, com isso, mobilizar os mecanismos de aderência na interface aço-concreto. Para a aplicação da força foi utilizada uma chapa rígida em contato apenas com a seção de concreto. Para a regularização da superfície de aplicação da força foi utilizada areia; esta foi uma tentativa de evitar a ocorrência de algum efeito localizado e melhorar a distribuição da força aplicada. A velocidade adotada para o carregamento foi de 0,05 mm/s.
5.5.1
Modelo CC_W
O primeiro modelo, apesar da ausência de conectores de cisalhamento no pilar, apresentou um desempenho superior ao esperado. Deve-se isso, provavelmente, ao efeito benéfico da laje de concreto armado na rigidez da ligação. A Figura 5-18 mostra o modelo CC_W durante a realização do ensaio.
No início do carregamento, até 300 kN, praticamente não foram registradas deformações nos extensômetros. Até esta etapa, o deslocamento relativo do núcleo de concreto e a rotação da ligação apresentavam valores muito baixos. Acredita-se que até este ponto a laje forneceu grande rigidez ao modelo diminuindo, assim, as deformações nas vigas e perfil de aço. Superado este valor de carregamento, ocorreu o aparecimento das primeiras fissuras na laje de concreto, localizadas na parte inferior da laje, próximo ao pilar. As primeiras fissuras ocorreram também na face superior da laje próxima a região de apoio, nas proximidades da viga de aço. A Figura 5-19 ilustra claramente as primeiras fissuras que surgiram nas duas regiões: região central e região próxima ao apoio.
Figura 5-19 – Aparecimento das primeiras fissuras no modelo CC_W
Quando a força aplicada atingiu cerca de 370kN, a fissuração da laje de concreto tornou-se mais intensa e começaram a aparecer deformações significativas nas armaduras. A deformação de outros componentes do modelo de ligação (viga de aço e pilar) começa a se intensificar a partir deste instante, ou seja, passa a ocorrer perda de rigidez da laje devido à fissuração e sua contribuição para a rigidez da ligação diminui. A Figura 5-20 mostra a fissuração da região de apoio e as fissuras na parte inferior da laje, junto ao pilar preenchido. Após esta etapa de carregamento, apesar da intensa fissuração do concreto da laje, o modelo ainda apresentou ganho de capacidade resistente.
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116 Figura 5-20 – Fissuração na laje do modelo CC_W
Para uma força de 370 kN, as armaduras da laje e os componentes de aço da ligação contribuem com uma parcela significativa da resistência à flexão do modelo. O ensaio do Modelo CC_W prosseguiu até atingir uma força de compressão de 874 kN. Após atingir este valor, o modelo não apresentou mais ganho de resistência com a aplicação de deslocamento no núcleo de concreto. Acredita-se que a plastificação das armaduras da laje foi a responsável pelo avanço das deformações no modelo, sem ganho adicional de resistência e sem o aumento no deslizamento do núcleo de concreto em relação ao perfil de aço. A Figura 5-21 mostra o deslizamento do núcleo de concreto e o deslocamento do pistão no modelo CC_W.
a) Deslocamento do pistão b) Deslizamento na face superior do concreto
A partir da análise das deformações nas armaduras da laje foi possível perceber que aquelas mais próximas ao eixo das vigas foram menos solicitadas que aquelas localizadas nas extremidades da laje. A Figura 5-22 mostra a relação entre a força aplicada no núcleo de concreto e as deformações nas armaduras da laje. Foi representado graficamente limite elástico teórico de deformação das armaduras por uma reta.
Figura 5-22 – Deformação axial nas armaduras da laje de concreto
A partir das deformações registradas na alma e na mesa da viga, é possível estimar a posição da linha neutra na viga mista e compreender melhor o comportamento da ligação com o avanço do carregamento aplicado. A Figura 5-23 mostra as deformações nas mesas e na alma da viga de aço. A configuração da linha neutra na viga de aço, para vários níveis de carregamento é exposta na Figura 5-24.
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118 a) Deformações nas mesas da viga b) Deformações na alma da viga
Figura 5-23 – Deformações na viga metálica – Modelo CC_W.
Figura 5-24 – Posição da linha neutra no modelo CC_W.
As leituras de deformação no tubo de aço e no núcleo de concreto do pilar preenchido possibilitaram observar a transferência de tensões entre os dois materiais. Entretanto, os valores de deformação no tubo de aço, na região da ligação, apresentaram grande variação, provavelmente devido à perturbação da flexão da viga. Desta forma, estes valores foram desprezados ou corrigidos. A Figura 5-25 apresenta a transferência de tensões entre aço e
concreto, para diferentes níveis de carregamento e em função do comprimento do perfil de aço.
Figura 5-25 – Transferência de tensões em função do nível de carregamento e do comprimento da altura do pilar: modelo CC_W
Observa-se que a transferência de tensões ocorre de forma mais acentuada na região inicial do pilar preenchido, nos trechos entre 0,4L e 0,6L, onde L representa a altura do pilar. Nos estágios finais de carregamento, a transferência de tensões entre os dois materiais também é mais intensa; deve-se isto, provavelmente, à fissuração do concreto no pilar, ao nível das tensões no mesmo ou à rotação mais acentuada da ligação, o que ocasiona um aumento na parcela de aderência mecânica.
5.5.2
Modelo CC_SB
O modelo CC_SB é idêntico ao modelo CC_W, apenas com a presença de conectores de cisalhamento do tipo pino com cabeça (“stud-bolt”) no pilar misto. O uso dos conectores
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120 materiais. Os códigos normativos determinam o uso de conectores de cisalhamento no pilar misto, na região correspondente à ligação, para que não ocorra deslizamento relativo significativo entre os materiais. Sendo assim, espera-se que os modelos CC_SB e CC_AN apresentem um melhor desempenho quando comparado ao modelo CC_W (sem conectores).
O aparecimento das primeiras fissuras na laje do modelo CC_SB ocorreu na região próxima ao pilar misto para uma força aplicada de aproximadamente 230 kN (Figura 5-26a). Este valor é inferior ao registrado no modelo anterior, sem conectores de cisalhamento. Semelhante ao que ocorreu no modelo CC_W, as primeiras fissuras apareceram na região próxima ao pilar e próximo ao apoio (na região superior da laje). A Figura 5-26 mostra o modelo CC_SB com as primeiras fissuras.
a) Aparecimento das primeiras fissuras – Modelo CC_SB
b) Fissuras na região próxima ao pilar e próxima ao apoio
Figura 5-26 – Fissuras iniciais no modelo CC_SB
O ensaio do Modelo CC_SB prosseguiu até ser atingida uma força de 790 kN. Antes de atingir esta carga o Modelo CC_SB apresentou comportamento bastante variável, apresentou-se instável com queda e aumento do ganho de resistência ao longo da aplicação do deslocamento, sempre atingindo o pico de carga de 790 kN. Nesta etapa do ensaio, a laje de concreto já se encontrava totalmente fissurada e as armaduras da extremidade estavam em regime de escoamento. A Figura 5-27 mostra curvas relacionando a força aplicada com o deslocamento do pistão e com o deslizamento relativo do concreto.
a) Deslocamento do pistão b) Deslizamento na face superior do concreto Figura 5-27 – Deslizamento do núcleo de concreto e deslocamento do pistão no modelo CC_SB
Da mesma forma que o modelo CC_W, a deformação das armaduras da laje do modelo CC_SB foi mais intensa nas extremidades (Figura 5-28).
Figura 5-28 – Deformação nas armaduras da laje
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122 linha neutra na viga metálica em função do carregamento aplicado no pilar. A Figura 5-29 mostra a distribuição das deformações nas almas e mesas da viga e a Figura 5-30 traz a variação da posição da linha neutra.
a) Deformações médias nas mesas b) Deformações na alma Figura 5-29 – Deformações medidas na viga de aço – Modelo CC_SB.
Figura 5-30 – Estimativa da linha neutra na viga metálica – Modelo CC_SB.
As leituras de deformação no perfil de aço do pilar preenchido e no núcleo de concreto permitiram estimar a transferência de forças entre os dois materiais em função do aumento da força aplicada. A Figura 5-31 mostra a estimativa da transferência de tensões entre os dois materiais ao longo do comprimento do pilar.
Figura 5-31 – Transferência de forças entre o concreto e o aço – Modelo CC_SB.
A transferência de forças do núcleo de concreto para o perfil é mais acentuada no trecho entre 0,4 L e 0,6 L, que corresponde à região que está localizada no topo do pilar. A comparação destes valores com os dos outros modelos pode prever a influência dos conectores. Nota-se que para os estágios finais de carregamento a transferência de tensões ocorre de forma completa logo após o trecho de 0,8 L.
5.5.3
Modelo CC_AN
O modelo CC_AN se diferencia do demais apenas pelo tipo de conector; neste caso são perfis cantoneira como conectores de cisalhamento no pilar misto. A distribuição das cantoneiras no interior do pilar é idêntica à utilizada no modelo com conectores tipo pino com